JPS5852893A - レ−ザ機能デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 尤出力との間に種々の機能を呈するレーザ機能デバイス
に一し、特に、小型化，集積回路化の容易な光区子工学
上の基幹的機能素子ｔａ−実現し得るようにしたもので
ある。

従来、光通信やｆ情報伝達の処理システムに関しては，
Ｍ″．の高速制御を行なうために鑞気元学効、来を利用
した種々のデバイスが開発されている。

しかしながら、従来のこの種のレーザ機能デバイスの多
くは，電気光字素子に印加した電圧により透過光を制御
てるようにしたものであり、′ｙｔ人カー元出力の形態
に構成された真の元デバイスではなかった。

一方、近年活ＩＮＫ開発が進められているこの種のデバ
イスとしてた双安定素子、すなわち、いわゆるＢＯＤが
あり、このＥＩＯＤは、光機能素子の出力光強電に比例
した電圧を帰還してその光機能素子を制（財）するよう
に構成した光入カー元出力デバイスであり、光波の入出
力間にヒステリシス特性を呈するので、″／ｌ、スイッ
チ、光リミタ、元メモリ、光演嫁素子等としての応用が
考えられており、真＋Ｅ型としての非線形媒質な含んだ
ファプリペロー共振器、あるいは、混成型としての電気
的帰還制御な施した光ｆ調器などが開発されている。し
かしながら、従来開発されたこの光双安定素子は、いず
れもその動作に不−丁欠の光源を素子の動作系に内蔵し
、てぃない受動型の素子であり、別途設けた光源装置と
組合わせることが必須の要件となるので、この種卵機能
素子の゛実用上最大の費求である小型化、東４ｆ（ロ）
路化に対して大きい障害となる、という重大な本質的欠
点な有していた。

本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し。

光機能素子に不可欠の光源を内蔵して元入カー尤出力間
に種々の機能を呈し得る真の元デバイスとして動作する
小型化、集積回路化の容易なレーザ機能デバイスを提供
することＫある。

しかして１本発明は、上述した目的の達成に最も適した
光源として、接合型半導体レーザが極めて小型であって
、しかも、注入電流によってその動作を容易に制御し得
る点に注目してなしたものであり、レーザ発根に伴う本
質的な非線形性とその全損出力レーザ光を受ｆｔｆる光
検出素子の光電変換時性との組合わせにより、従来盛ん
に開発されて広汎に実用されている電子工学上の機能デ
バイスが呈する各種の機能と同等の種々の機能な光入出
力間に呈する光機能素子として本発明レーザ＋ｆｋ吐素
子を実現したものである。

不発明レーザ機能素子は、半導体レーザ素子と光検出素
子とを電気的に直列に接続するとともに、半導体レーザ
素子の出力光と外部からの入力元と？ともに光検出素子
に入射させることにより２例えば、一定の範囲の入力元
強度に対して出力元圧２つの安定状態を生じさせる光双
安定機能な卵入カー光出力間にて”ｉ’＝ｆるようにし
たものであり。

レーザ発′＃累子とｆｆＷｆ換素子とを光学的および電
気的に（１１１ｍ接続し、ルなくとも前記レーザ発光素
子の出力光の入射に応じて発生した前記充電変換素子の
電気出力信号により前記レーザ発′＃、素子ケ制御して
前記出力光を変化させることにより所望の機能を備えろ
ように構成したことを特徴とするものである。

上述のよりな腎双安定機能を呈する光機能デバイスは、
通常の電子回路によるディジタル回路やパルス回路の構
成に対してその根幹をなす入出力電圧乃至電流間に生ず
る双安定性ケ利用した電子機能デバイスに相当するもの
であり、光電子工学上の最も基幹的な資デバイスとみな
すことができ、また、かかる構成によれば、例えば、半
導体レーザ素子、　？、検出素子およびそれらの素子を
接続ｆろ電子回路系ケいず１１も集積回路化でろことに
より全素子を一体化した極めて小型の真の光機能素子な
実現することができる。

以下に図面を参照して本発明を実施例につき詳細に説明
する。

まず、本発明レーザ機能デバイスの基本的構成の例を第
１図に示す。図示の構成において、ＬＤおよびＰＤはそ
れぞれ半導体レーザ素子および光検出素子であり、Ｐｏ
は半導体レーザ素子ＬＤからの出力光、Ｐｉは外部から
光検出素子ＰＤに入射する入力元である。したがって、
メ１示の構成によれば、半導体レーザ素子ＬＤの出力光
Ｐ。が１光検出素子ＰＤによりｆｔｆ喚されたうえで、
半導体レーザ素子ＬＤに「帰還されることになる。なお
、ＶＢはかかる構成の各素子に印ｌ７０−ｒる動作直圧
であり、　Ｒ，、Ｒ２は双方の素子ＬＤ　、　ＰＤのバ
イアス電圧や帰還＊ｔ７ｒ：ａｍ整するための抵抗回路
網な表わしたものである。また、光検出素子ＰＤには、
動作上の必斐に応じて、広帯域増＃Ａ素子なも含むもの
とする。さらに、上述した外部から光検出素子ＰＤに入
射させる入力元は、レーザ発振器からのコヒーレノ゛ト
光とすることもでき、また、その他の通常のｆｔ′、源
からのインコヒーレント党とすることもできる。

例えば半導体レーザ素子ＬＤと′＃、ＩｆｔＩ出素子Ｐ
Ｄとの上述のような資字的および暖気的の循＋ＩＡ接続
によって構成した本発明レーザ機能デバイスにより。

例えば前述したまうな光双安定動作が帰られる動作原理
とじ又は、半導体レーザ素子ＬＤのレーザ発振開始の閾
値特性および利４飽和特性と光検出素子ＰＤの飽和特性
とがデバイスの光入出力−電流特性に非線形性を与える
がために、これらの素子ＬＤおよびＰＤの協力的関係に
基づいて元入カー元出力間にヒスｆ　ｌ）シス特性が生
ずるものと考えられる。また、上述した光学的および砿
気的循還接続による帰還制御系のパラメータの組合わせ
に基づいて種々の動作点な設定すれば、上述したヒスプ
リシス特性の他にも１例えば尤リミタ特性や元微分利侵
荷件などの６檀の動作モードを実現することができ、か
かる６檀の動作モードによって。

前述したように、従来の電子回路によると同等の種々の
機能を保持することができる。

さらに、半導体レーザ素子ＬＤおよび光検出素子ＰＤの
大きさは、いずれも、長さが数百ミクロン、幅が数ミク
ロン乃至数十ミクロン程度であって極めて小型であるの
で、モノリシック型あるいは−・イブリッド型の光集積
回路化するに極めて好適であり、これらの素子ＬＤ　、
　ＰＤに電子回路素子をも含めた循環接続系全体な同一
基板上にユニットとして形成することも可能であり、か
かるユニットのアレイ化や複数ユニットの種々の形態の
組合わせ接続等により、死人カー光出カ間にさらに多種
多様の機能を保持させろことも可能であるので、ｆｔ、
電子工学上の最も基本的乃至基幹的な光回路素子な実現
することができる。

上述のように極めて優れた性能を期待し得ろ本発明レー
ザ機能デバイスの第７図に示した基本的構成について、
その作用効果なさらに詳細に検討するに、前述したよう
に本発明デバイスの動作原理は、半導体レーザ素子ＬＤ
の閾値特性と光検出素子ＰＤの飽和特性とに基づくもの
であるから、まず、半導体レーザ素子ＬＤのｄ１流入カ
ー尤出方特性をつき゛の（１）式によって表わす。

ここＶＣ−Ｉ　ｐ　ｈまｆｔ流、Ｉｂはバイアス電流。

工ｔｈはレーザ発掘の閾値電流であり、また、ａはＷ流
入カー光出力間の変換係数である。

−万、光検出素子ＰＤの元人カー４流出力特性はつぎの
（２）式によって表わす。

ここに、Ｐ８は飽和ｆｆ′：、彌裳であり、には光人カ
ー電流出力間の変換係数である。

これらの式＋１１　、１２１より、第１図示のｌＲｅ、
による本発明デバイスの丸太出力特性はつき′の（５）
式によって表わすことができろ。

ここに、ｙ＝ａｋ。

Ｇ＝ｒ／（１−ｆ）。

Ｐｔｈ＝　（Ｉｔｈ−１ｂ）／に しかして、上述の各式＋１）　、　（２）および（５）
の意味するところを図によって表わせばっぎのよさにな
る。

才なおち、＋１１式および（２）式を図示すれば第２図
ｉａｌのようになり、同一圧おいては、太い実線が（１
）式をプロットしたものであり、細い実線が、久方元価
ＵＰ　　をパラメータとして（２）式なプロットしたも
のである。したがって１本発明デバイスの久方′＃、強
ＶＬＰ工灼出力元強度Ｐ０特性は、これら双方の東線の
交点な連ねたものとして求めることがで？、人力ｔｇＩ
Ｉｆｐ工が０のときには、双方の実線の交点は図の原点
に位置し、久方光強度Ｐ１が図示のＰ、からＰ５まで増
大するに伴って１本発明デバイスの動作点を表わす双方
の実線の交点は図示の点人、Ｂから点Ｃまで順次に移動
し、入カＣ倍度Ｐ□がさらに増大すると、双方の実線の
交点が表わす本発明デバイスの動作点は１図示の点りに
不連続に飛躍し、入力’Ｉｔ強度Ｐ１がさらに増大して
もその点りから移動せず、最大出力光強度Ｐ　を呈する
ことになる。

上述のようにして最大出力光ＰＩＩＯが得られる動作点
りに到達した後に入力光強！ｆＰよを減少させていくと
、第２図（ｂｌに示すように、図示の値Ｐ２に達するま
では入力光強ｖＰ１が減少しても、動作点は点りにその
まま留まっており、入力光強戻Ｐ１が値Ｐ２に達すると
、双方の実線の交点が表わす本発明デバイスの動作点は
、図示のＢ点に不連続に降下して出力光強度Ｐ。はＯと
なり、入力元強度Ｐ１の−Ｉ―の減少に伴って動作点は
最初の位置−「なわち図の原点に復帰する。したがって
、不発１４１１デバイスの動作点は、入力光強度Ｐ　の
増大に伴って点Ｃから点ＤＫ不連続に飛躍するとともに
、人力ｆｔ、強度Ｐ１の減少に伴って点りに相当する出
力′＃、惜１ｆＪｌ大の状輻から点Ｂに不連続に降下し
、入力光強＆Ｐ　　と出力ｆｔ強度Ｐ。との間のヒスプ
リシス特注を呈する。

一方、第１図示の構成において、元検出素子ＰＤの光−
ｇｔ＆ｆ１！係数におよび半導体レーザ素子ＬＤの電流
−ｆｆ換係数ａの少なくとも一方を上述した場合より適
切に減少させると、第２１ｆｌＪ　ｆａｌ　、　ｌｂｌ
に示したと同様にして第１図（ｃｌ　、　１（１１に示
すように、入力元＋５！度Ｐ　と出力ｆ％度Ｐ。との間
に微分利得特性を呈するようにすることもできる。

前述の６）式にて表わし、上述の第２図（ａｌ〜（ｄｌ
に示したところを要約して図示すれば第コ［＜ｌｅｔに
示すようになり、＠／図示の構成における双方の素子Ｌ
Ｄ　、　ＰＤの変換係数の積ａｋ　＝　９について、−
＜９＜１の場合には、　Ｇ（＝　”Ｏ／、Ｐ、　）刈と
なって上述した微分利得特性が優られ、？〉１の場合に
は、Ｇの１直が負となって上述したヒステリシス特性が
優られる。

つぎに、上述した検討の結果に基づき、半導体レーザ素
子ＬＤとしてｋｌ　Ｇａ　Ａ８半導体レーザを用い、ま
た、ｆｔ、検出素子ＰＤとしてシリコン・ボトトラノジ
ス°りを用い、第１１ｉＪ示の基本的構成に従って製作
した本発明レーザ機能デバイスについて。

制御用人力光の光源に発光ダイオードを用いて行なった
集験の結束について、ｅ入力対光出力特性の代表的な例
な第３図ｆａｌ　、　（ｂ）に示す。同図ｆａｔは。

制御用入力光源をなす発光ダイオードの出力ｆｔ、な正
弦波によりｆＰＪ１４シた場合に得られたヒス１リシス
特性曲線の例な示したものであり、かかる動作のＰ４様
罠おいては、半導体レーザ素子ＬＤが、オン状惺のとき
にのみレーザ発磁な行ない、オフ状態のときＫは発振し
ないので、双安定動作が得られる。また、同図＋ｂｌは
、第１図示の構成における［源篭出Ｖ１３あるいは抵抗
Ｒ１の値を制御するなどによりＨＩＩ逮電を適切にｌ１
ＭＩ螢し℃得られた微分利得特性の例を示したものであ
る。

なお、上述した実験における製作例の応答時間は−ｇμ
ｓであったが、この値は光検出水子ＰＤとして用いたシ
リコン・ホトトランジスタの性ｉｌＩ＠に抑えられたも
のであり、例えば了パランシエホトダイオードなど十分
に誦速の尤検出素子な用いれば、格段の高速度化な期待
することができる。また、第３図（ａｌに示した双安定
特性によれば１本発明デバイスを記憶素子として作用さ
せることができ、また、第３図ｆｏｌに示した微分利４
特性によれば、ｆ増幅器、尤パルス波形整形素子、尤パ
ルス波高比較乃至弁別素子、光リミタ、光リピータ等と
して本発明デバイスを作用させることができる。

上述したように、ｆｆｆｌｌ能デバイスに不可欠の光源
を内賦して、しかも、＃ｊ！めで簡単な構成により上述
のように檜々の棲能を保持し得るようにした本発明レー
ザ機能デバイスは、第１図示の基本的構成により、′ｙ
ｔ検出素子の充電流増減→半導体レーザ素子の励起電流
増減→出力光増減→尤電流増減なる帰還制御を行なう循
環接続ななしているのがその特徴であるが１本発明デバ
イスは、上述の成木的構成に幾多のｆｌ！を施して構成
することができる。そのうち、ＩＥ／図示の基本的構成
に忠実に倣った最も簡単な構成例を第９図１ａ）に示す
。なδ、図示の構成例ケも含めて１本発明デバイスの構
成に用いるレーザ発光素子ＬＤとしては１以上の説明に
用゛いた半導体レーザに＠ることなく、その他のあらゆ
るレーザ発元素子、すなわち、固体。

気体あるいは染料等の液体レーザなも用いることができ
、また、−）１検出素子すなわちｆｌｔｆ換素子ＰＤと
しては、あらゆるｍ類のホトダイオード、ホトトランジ
スタ、アバランシェ・ホトダイオード等を用いることが
できろ。しかして、第ｑ図ｆａｌに示した構成例におい
て、可変抵抗とするのが好適な抵抗Ｒ５は、王として半
導体レーザ素子ＬＤに流すバイアス電流な調整ｆるだめ
のバイアス［ｆｉ調整用抵抗であり、また、抵抗Ｒ，＆
了、半導体レーザ素子ＬＤ　Ｋ流れる帰還制御電流を分
流して調節するための分流抵抗であり、さらに、抵抗Ｒ
８は、半導体レーザ素子ＬＤの保−抵抗であって、前述
した本発明デバイスの応答時間にもこの抵抗Ｒ８の値が
関係てる。なお、第１図示の基本的構成における動作電
圧ＶＢは、図示の構成例においては安定化直流′ＲＬ源
ｓｐｓにより供給し、本発明デバイス全体の動作の安定
化を図っである。また、かかろ横Ｆｌｙ、において、光
検出素子ＰＤによる帰還制御量が不足する場合には、第
９図（ｂ）（示すように、帰還制御回路に直流増４１ｉ
１１ｍ　ＤＣＡを介挿して所要の帰還制御量が帰られる
ようにすることができる。

以上の説明から明らかなように１本発明によれば、半導
体レーザ等のレーザ発光素子とホトダイオード等の′ｙ
ｔＷ１ｆ換素子と？光字子および電気的循環接続により
岨合わせた基本的構成により、光出力について二様の安
定な定常状態を入力元強度の制御のもとに優ることがで
き、従来開発された光双安定素子とは格段に相違して、
この種光機能素子に不可欠のｆ源を機能素子自体に内蔵
しているので、所要の機能を達成するに他のｆｔ、源装
置な全く必要とせず、したがって、光機能素子全体の小
型化、ｍ！積回路化、低醒力化、さらには、高経済性化
な従来に比して格段に促進させることができ、また、所
要の基本的構成が極めて単純であるが故Ｖこ、その基本
的構成に種々の変更、追加な施して多種多様のｆ＊能デ
バイスを実現することができる。例えば、前述した直流
増＃Ａ器と同様に広帯域増幅′１５を帰還制御回路に介
挿し、あるいは遅延素子により適切な運動制御を行なわ
せ、あるい１丁、集積回路化してユニット化した第１図
示の基本的構成によるデバイスを複数個組合わせて、そ
れぞれのレーザ発元素子および光検出素子間に種々の組
合わせによる相互接続を施すなどして、レーザ発振素子
の動作に適合した種々の構成による帰還側（財）系の組
合わせにより、卵入出力間に＃＃橿の特性な呈する多機
能の光機卵デバイスを構成することができる。すなわち
１本発明によれば、光集積回路化により、例えば長さ斂
百ミクロン程度に小型化して、高密変、高速度の特質な
備えた光マルチバイブレータ、ディジタル１４１ｇ子や
ｔｔａ素子などの光計算機用素子、ｆパルス波形整形素
子、ｙｔ、パルス増幅素子、元パルス弁別器、ｆｌＪミ
タ、元通信用ディジタル光中継５．５’ｅパルス発生素
子等の多種多様の真のｆｔ、機能デバイスケ実現するこ
とができる。

なお、本発明レーザ機能デバイスにおける入力元には何
らの制約もすせず、ただ、光検出素子の特性によっての
み左右されるのであるから、広い波長範囲の低入力元強
度によって駆動することがでキ、また、インコヒーレン
ト元からコヒーレント尤への′ｙｔ変換な行なうことも
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明レーザ機能デバイスの基本的構成を示す
回路図、第２図１ａｌ〜ｔｅｌは同じくその動作の帖様
の例を１ｍ次に示す特性曲線図、第３図（ａ）。 ｌｂｌは同じくその動作実験の結果をそれ、ぞれ示す特
性的４１！図、第ｑ図ｆａｌ　、　ｆｂ）は同じ（その
他の構成例なそれぞれ示す回路図である。 ＬＤ・・・レーザ発光素子（半導体レーザ素子）、ＰＤ
、ＰＤ’・・・ｆｔ１ｌ！ｆ換素子（光検出素子）、Ｐ
・・・出力光、Ｐ□・・入力元、■、・・・元′直流、
工ゎ・・・バイアスｔａ、ｓｐ３・・・安定化直流電源
、ＤＣＡ・・・直流増幅、活。 第２図 （ｅ） 入７７九強度Ｐｉ 第４図 Ｅ’ｓ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｔ　レーザ発光素子と充電変換素子と？光学的および電
   気的に循ｍ接続し、少なくとも前記レーザ発光素子の出
   力光の入射に応じて発生した前記光電変換素子の電気出
   力信号により前記レーザ＠元素子な制御して前記出力−
   ｙｔ、な変化させることにより所望の機能を備えるよう
   に構成したことを特徴とするレーザ機能デバイス。 ２、　前記レーザ発光素子および前記光を変換素子の動
   作パラメータをＩＩＪ記所望の機能に応じてそれぞれ設
   定した特許請求の範囲第１項記載のレーザ機能デバイス
   。 ３゜　前記レーザ発ｙｔ、′Ａ子の出力光とともに入射
   させた外部元圧より＠１尤電変換素子な介して前記レー
   ザ発′＃素子を制御するようにした特、ｆＦ請求の範囲
   第１項または第２項記数のレーザ機能デバイス。 ４、　前記光を変換素子の電気出力信号により増幅素子
   な介して前記レーザ発光素子な制御するようにした特許
   請求の範囲第１項、Ｉ！２項または第５項に記載のレー
   ザ機能デバイス。 ５　　′ｙｔ双安定動作によるヒステリシス特性、微分
   利ｉ％性およびリミタ特性のうちいずれかの特性な呈て
   るように構成した特許請求の範囲前記各項のいずれかに
   記載のレーザ機能デバイス６